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孔板與信號的非線性轉換
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摘要   從流體經過孔板產生信號出發,到在流量積算儀上顯示流量,用四象限信號轉換圖直觀地剖析了信號的多次轉換,重點闡明了其中的非線性轉換。

關鍵詞  孔板  非線性轉換   象限     增量

   在常用的測量系統中,從傳感器到顯示器,其信號在多個環節中的轉換基本上都是線性的,而用孔板作傳感器的流量測量系統,信號的轉換卻要經歷二次非線性轉換,即乘方與開方。因此,該測量系統的儀表在校驗或檢定時增加了一定的難度和復雜性。

   最常用的節流件是同心圓銳孔板。下面以DDZ-Ⅲ差壓變送器為例,孔板流量測量系統的信號轉換如圖1所示。

  

                                 圖1  信號轉換

   其中第Ⅰ象限是孔板區,又可稱乘方區。從孔板中流過的流體,在孔板的兩側產生了差壓,即增量 產生了增量 ,是信號的第一次轉換。該轉換是非線性的, ,流量增加一位,差壓要增加三倍,是指數關系。

    第Ⅱ象限是線性轉換區,發生在差壓變送器,隨著從孔板兩側引進的差壓 的增加,差壓的輸出電流 也成為比例增加,

第Ⅲ象限是開方區,發生在流量積算儀中,是對第一次非線性轉換的逆轉換,把被扭曲的關系再扭曲回來。 是從差變來的電流信號, 是積算儀內部將 開方后得到的百分值。 ,是非線性關系。由于在設計孔板時已確定了最大流量值 和相應的最大差壓 ,故在積算儀投入運行前也必須輸入 。積算儀徑開方運算得到流量的百分值 后,還必須進行比例運算,乘上 后才得到流量瞬時值 并顯示出來, ,即 ,其中 為4~20mA信號。

第Ⅳ象限是流量百分值的線性對應區,完成線性轉換。圖1猶如一幅弓箭圖,目標為第Ⅳ象限的線性關系。

*    與I、F的對應關系見表1,其關鍵點是

                 表 與I、F的對應關系

                                        

 0             4              0                0            0             0

 4             8              0.25              25           0.50          0.5

 8             12             0.5               50           70.7          0.707

12             16             0.75              75           86.6          0.866

16            20            1                  100            100          1

  在圖1中,F軸上的數值是最大流量 的百分值,也就是系統量程的百分值。設最大流量為3t/h,則軸上的刻度值25、50、75、100分別表示相應的流量值分別為0.75、1.5、2.25、3,單位為t/h。

* 軸上的刻度值是最大差壓的百分值,如最大差壓設計為40kPa,則刻度值6.25、25、56.25、100分別表示相應的 P分別為2.5、10、22.5、40,單位為kPa。

軸上的刻度值是最大電流增量的百分值。下面還標了 值和I值,即電流的最大增量 是16mA,而I是電流表上的示值, 與I相差一個零位電流(4mA)。不論 的最大值是多少,圖示的關系不變。

以設計最大流量為3t/h,最大差壓為40kPa為例,信號轉換過程中的具體數值見圖2。

                          圖2 轉換數據

專門與孔板配套的差壓變送器,其顯示流量的表盤是非線性刻度,如圖3所示。現為了便于比較,在表盤的外圍添加了差壓變送器輸出電流刻度的示意圖。電流 是線性刻度,流量F是非線性刻度,與 是開方關系, 。當表頭中的電流為I=8m/A時, 是4mA,占 的25%,指針指向滿量程的50%處。

                  圖3 流量顯示表盤

在校驗積算儀時一般將量分成4段5點,差壓的電流信號與流量的對應關系如圖4所示,可根據需要,參照圖示方法任意劃分段、點。

                 圖4 電流信號與流量的對應關系

用孔板檢測流量,技術成熟,精度高,經久耐用,雖然其測量系統的非線性給實際操作帶來不便,但在掌握了四象限信號轉換圖后,還是能運用自如的。


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